文摘

的亲水表面熏nanosilica被修改的疏水表面处理用三甲基硅烷偶联剂,和环氧树脂纳米复合材料是由混合改性nanosilica (0 phr 1 phr 3 phr 5 phr,和7 phr)在一个环氧矩阵,其中单位phr表示环氧基树脂的部分每一百克。将纳米复合材料应用于重型机电设备、改性的影响nanosilica长期树枝放电现象和耐局部放电(PD)研究了在高压交流电(HVAC)条件下。三甲基硅烷nanosilica表面的粘结是证实了CH的新高峰的出现2和CH3在傅里叶变换红外光谱分析。观察甚至修改nanosilica粒子的分散在环氧矩阵,采用透射电子显微镜,并发现1 phr修改nanosilica均匀分散;然而,随着nanosilica内容的增加,其聚合变得有些严重。最长的HVAC树枝放电击穿时间被发现在环氧树脂纳米复合材料1 phr alkyl-modified nanosilica,和时间是17412分钟,比121分钟143.9倍的时间需要一个整洁的环氧树脂体系。在纳米复合材料5 phr修改nanosilica, PD电阻被发现的12.5倍的环氧树脂体系。

1。介绍

环氧树脂是众所周知的重型电气设备材料,因为他们有良好的电绝缘性能和良好的机械和热性能(7,10,11]。环氧树脂通常使用的形式利用或纳米复合材料。代表小型化和纳米填料包括二氧化硅、氧化铝、粘土、云母,可以单独使用或结合这取决于应用程序的复合材料(12- - - - - -14]。这些填料环氧矩阵妨碍树枝放电起始过程和有效阻断传播过程,这样,说法填料可以充分提高树枝放电击穿强度(7]。一般来说,50 - 65 wt %的小型化填料在利用纳入环氧树脂,和3 - 5 wt %纳米填充物混合成环氧树脂纳米复合材料(7,15,16]。然而,为了达到良好的电气绝缘性能,表面的亲水填料应修改为疏水特性,由于环氧矩阵有疏水特性。表面改性的填料通常是通过使用耦合剂以增加环氧矩阵之间的亲和力和无机填料和填料分散均匀的矩阵(17,18]。偶联剂的分子结构有一个无机活性组和有机活性组在另一边。前者与小型化或纳米尺度的无机填充剂反应,而后者债券的环氧基或环氧固化剂矩阵。因此,无机填料可以很容易地分散在环氧矩阵不聚合。耐局部放电(PD)还必须研究为了发展一个新的聚合物绝缘材料。当PD应用于高压设备的绝缘材料,它导致电树枝状组织的形成和退化的绝缘体19,20.]。

使二氧化硅纳米粒子能够延缓树枝放电起始和块树枝状组织传播,在本文中,表面的亲水性nanosilica与三甲基硅烷偶联剂和改性基团,nanosilica与环氧树脂混合矩阵,和电树枝状组织和局部放电特性进行了研究。

2。实验工作

2.1。材料

缩水甘油醚双酚A环氧树脂(DGEBA)类型的贸易名称是128码(Kukdo化学。有限公司、韩国)使用。环氧当量(EEW)是184 g /情商~ 190 g /情商,和粘度是11500 cps ~ 13500 cps 25°C。固化剂是3 -或4-methyl-1, 2, 3, 6-tetrahydrophthalic酐(Me-THPA),商标名的hn - 2200(日立化学。有限公司)。这种固化剂是广泛用于电气绝缘材料领域。Benzyl-dimethyl胺(BDMA)作为三级胺被用作一个加速器(Kukdo化学。有限公司韩国)。1,1,1,3,3,3-Hexamethyl disilazane (HMDS,记述有机物,费舍尔科学Inc .)被用来修改的亲水表面熏nanosilica(商品名:气相二氧化硅®300,赢创工业AG)疏水。的比表面积熏nanosilica是270米2/ g - 300 m2/ g,粒子的平均尺寸是12海里。在110°C基团nanosilica是干24小时在真空炉前使用。所有材料的化学结构如图所示1。


图1
化学试剂的结构。
2.2。表面改性的Nanosilica

修改的表面熏nanosilica烷基,HMDS处理。未经处理的熏nanosilica HMDS(10克)是分散在(18 g) /乙醇(160克)的解决方案。超声能量(26.4 kHz, 800 W)是应用于溶液在室温下1 h消除怒气冲冲的空气层nanosilica HMDS表面和湿表面同时解决方案。蒸馏水(290克)/盐酸(13.3 g)的解决方案是添加到混合物,并维持在70°C 5 h相同的超声条件下。HMDS在这一步中,一个分子分解,产生两个trimethylsilanols(颗粒),然后生成硅醇反应的硅醇组nanosilica表面生产烷基(三甲基组)修改nanosilica。反应完成后,这些alkyl-modified nanosilica洗5次与乙醇/蒸馏水(40/60 wt %)混合,在110°C干24小时在真空炉,并存储在干燥器中。

2.3。环氧树脂纳米复合材料的制备

环氧/ nanosilica纳米复合材料是准备通过以下过程。环氧基树脂(DGEBA 100 g)和alkyl-modified nanosilica (5 0 g, 1 g, 3 g, g,或7 g)很好地混合在300 rpm使用高速搅拌器60分钟,然后,一个750 W探测类型超声波处理器(505年风投,超音速&材料Inc .)是应用于DGEBA / nanosilica混合物20 kHz的频率为60分钟。最后,DGEBA / nanosilica混合物,Me-THPA(80克),和BDMA (0.9 g)涌入一个行星搅拌机,混合在真空条件下30分钟30°C。最后的混合物注入模具,治愈后养护条件下的温度和时间: 。在每个步骤中,温度提高1°C /分钟的速度,和后固化反应,慢慢冷却1°C /分钟的速度直到室温达到避免内部压力。

2.4。长期暖通空调测试

准备一个样品的高压交流电(HVAC)树枝状组织测试,环氧树脂/ nanosilica混合物注入模腔的 毫米2和20毫米的高度,电极针之间的距离是事先安排的尖端电极针板电极3.8毫米,如图2。一个针形钢电极获得Ogura珠宝有限公司,日本。它的直径和长度是1毫米和60毫米,分别提示30°角和曲率半径是5μm。根据编程固化环氧树脂的混合物是治愈条件中描述的部分2。3。最后,标本的底部涂有导电银浆。


图2
安排针板电极的树枝放电测试。

进行一个长期的暖通空调故障测试,样品浸入一个30°C绝缘油浴2 h,然后,一个15千伏(1 kHz)交流电场是应用于标本。交流电压从0提高kV 15千伏0.5 kV / s的速度,后维持在15千伏,直到故障发生。树枝状组织的形状是由一个立体显微镜监控系统(S645T EZscope)加上数码相机(TOUPCAM LCMOS05100KPA)。树的图片收集每1分钟。空调产生的是交流电耐力电压检测器(Haefely,德国)。

2.5。局部放电电阻测试

如图3PD阻力试验,一个50毫米21毫米厚的标本是定位在地面上电极,然后,棒电极放置在样品表面没有任何差距。两个电极是用铜做的。如果5 kV交流频率为720赫兹应用于96 h的标本,PD发生在气隙部分由于电极杆的曲率半径。测量腐蚀形态和侵蚀深度由于PD,激光表面分析器(Dektak 150,力量有限公司)使用。测量范围是 毫米2分辨率为0.389μm。


图3
安排PD rod-ground电极的测试。

3所示。结果与讨论

确认nanosilica的表面改性,傅立叶变换红外光谱分析进行(a)修改的和(b) alkyl-modified nanosilicas,和光谱图所示4。对修改的红外特征峰nanosilica显示为732厘米1和1092厘米1由于Si-O-Si债券和广泛的峰值为3406厘米1由于颗粒债券。红外光谱的三甲基(烷基)修改nanosilica显示新高峰786厘米1,912厘米1,1465厘米1,2943厘米1,2966厘米1对CH2和CH3债券。这些结果意味着烷基连着的表面熏nanosilica [21]。虽然这里没有显示,通过热重分析发现nanosilica表面烷基的重量为3.95 wt %。


图4
傅立叶变换红外光谱(a)修改的和(b) alkyl-modified nanosilicas。

修改的比较分散形态或alkyl-modified nanosilica粒子在环氧树脂纳米复合材料,进行了TEM观察,TEM图像如图5被获得。图5(一个)是修改的nanosilica粒子(1 phr),在单位phr意味着每一百克的环氧基树脂,和数字吗5 (b)- - - - - -5 (d)是为alkyl-modified nanosilica粒子。phr Alkyl-modified nanosilica内容(b) 1, (c) 3 phr,分别和(d) 7 phr。如图5(一个),修改的nanosilica粒子不均匀分散在环氧树脂中,而不是形成大型聚合因为他们表面有颗粒组与疏水性环氧树脂是不相容的。然而,如图5 (b),修改nanosilica粒子均匀分散在环氧树脂纳米复合材料,这是由于亲水表面未经熏nanosilica已经更改到一个epoxy-friendly由于烷基疏水表面涂层。这些说法纳米粒子将延缓树枝放电起始,块树枝状组织传播,抵制PD电压。然而,随着alkyl-modified nanosilica内容增加,聚合变得更加严重。这是因为nanosilica表面积相比太高了环氧树脂重量,使nanosilica穷人的润湿性。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
TEM图像nanosilica粒子分散在环氧树脂纳米复合材料。(一)修改的nanosilica内容是1 phr,和alkyl-modified nanosilica内容(b) 1 phr, (c) 3 phr, (d) 7 phr。

图6展示了威布尔统计分析(威布尔+ + 7.0 ReliaSoft计划(HBM Prenscia Inc .))暖通空调电树枝放电击穿时间与各种环氧树脂纳米复合材料的内容alkyl-modified nanosilicas。三个parameters-shape、规模和B10从每个威布尔参数获得每个环氧树脂纳米复合材料。形状参数是来自每一个斜坡,这意味着数据分布。规模参数代表了树枝放电击穿时间有63.2%的累计故障概率,这在概念上类似于算术平均值的平均值。B10参数代表了树枝放电击穿时间有10%的累积概率的故障不会分解(90%)下应用HVAC(15千伏,1 kHz)。暖通空调应用于针尖端时,产生的电场在针尖端使用梅森的方程可以计算如下(22,23]: 在哪里 是产生的电场电极针, 应用电压(15千伏), 是针齿顶圆角半径(5μ米), (3.8毫米)电极针尖端和板电极之间的距离。因此, 748.1 kV /毫米。


图6
暖通空调电树枝放电击穿时间对环氧树脂纳米复合材料具有不同alkyl-modified nanosilica内容。

所有的威布尔参数表中列出1。最长的HVAC树枝放电击穿—就是说,最长的尺度参数是在环氧树脂纳米复合材料与1 phr alkyl-modified nanosilica,的时间是17412分钟(12天),这是143.9倍长于121分钟(2 h)整洁的环氧树脂。1 phr nanosilica内容后,尺度参数会随着alkyl-modified nanosilica内容增加。当7 phr alkyl-modified nanosilica分散在环氧树脂纳米复合材料,参数值会小于规模的整洁的环氧树脂。这些结果意味着均匀分散nanosilicas妨碍树枝放电起始和块树枝状组织有效传播;然而,当nanosilica添加过量,有利影响减少由于nanosilica聚合,如图5 (c)和5 (d)。

表1
威布尔参数HVAC树枝放电击穿时间环氧树脂纳米复合材料。

电树枝状组织形态也可以解释的影响alkyl-modified nanosilica颗粒树枝状组织传播。整洁的环氧系统,从针注入电子提示启动和快速传播电树枝状组织没有任何阻碍,形成典型的分支类型树枝状组织,如图7(一)。另一方面,当1 phr alkyl-modified nanosilica是分散在环氧矩阵,它是非常困难的注入电子启动和树枝状组织传播,因为它们被nanosilica粒子。出于这个原因,注入的电子寻找新的路径,重复这个过程,一个bush-type电树枝状组织形态,如图7 (b)。然而,随着5 phr修改nanosilica介绍环氧矩阵,对树枝状组织阻塞影响增长率降低,因为修改后的二氧化硅纳米粒子聚合。这些结果意味着nanosilica越分散,树枝状组织阻塞效应就越大。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
树枝状组织形态传播状态的环氧树脂纳米复合材料具有不同alkyl-modified nanosilica内容:(a) 0 phr phr 1 (b)和(c) 5 phr。

图8显示图像的表面侵蚀形态通过PD环氧树脂纳米复合材料的各种内容alkyl-modified nanosilica: (a) 0 phr, (b) 1 phr, (c) 3 phr, (d) 5 phr。在这个电极系统图所示3,局部放电发生只有附近的小环形气隙的边缘棒电极,因此降解不直接进行杆下电极。因此,每幅图所示,有一个圆形uneroded区域。96 h(5天)PD曝光后,尖端电极的边缘是黑色的变色。这是因为由于PD环氧分子分解挥发性,沉积在电极表面,然后碳化连续放电能量。整洁的环氧树脂和环氧树脂纳米复合材料的侵蚀形态完全不同的模式。整洁的环氧系统图的形态8(一个)显示严重和不均匀侵蚀深度和长通道表面的标本。另一方面,在纳米复合材料中,深深侵蚀不进步,而是沿着表面没有通道。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
表面侵蚀形态PD的环氧树脂纳米复合材料具有不同alkyl-modified nanosilica内容:(a) 0 phr, (b) 1 phr, (c) 3 phr, (d) 5 phr。

每个侵蚀区域的表面形貌图8扫描通过使用表面分析器,每个纳米复合材料的侵蚀剖面如图9。Alkyl-modified nanosilica内容(一)0 phr, (b) 1 phr, (c) 3 phr, (d) 5 phr。在一般情况下,放电能量释放在空气中转移到表面的环氧树脂绝缘子,直到达到一定的距离,但强度逐渐降低,因此,退化的程度逐渐降低电极的边缘的距离。随着PD能量的继续,环氧树脂表面侵蚀,最后,表面是被介质击穿或树枝状组织增长(24,25]。在整洁的环氧系统,最大腐蚀深度是378μm,侵蚀的宽度是295μm。在纳米复合材料1 phr alkyl-modified nanosilica,最大腐蚀深度和腐蚀宽度是152μ米和893μm,分别。比较侵蚀深度、整洁的抗PD环氧系统是通过公司增加了249%的1 phr alkyl-modified nanosilica。相比之下,侵蚀的宽度1 phr纳米复合材料是303%更广泛的比整洁的环氧树脂体系。这些结果意味着因为说法nanosilicas块局部放电能量在深度方向上,侵蚀深度抑制,因此,侵蚀面方向发生(26- - - - - -28]。另一方面,在整洁的环氧系统没有nanosilica, PD的能量主要是用于深度方向的侵蚀,所以深侵蚀发生在棒电极的边缘地区。然而,随着nanosilica内容增加,减少侵蚀的深度。当5 phr alkyl-modified nanosilica纳入环氧矩阵,侵蚀几乎发生在棒电极边缘的局部放电发生,而且没有侵蚀下杆电极。这意味着高的内容修改nanosilica不仅抑制侵蚀深度方向,还会抑制腐蚀表面的方向。PD纳米复合材料的电阻5 phr高出1251%的环氧树脂。抗PD最高5 phr纳米复合材料,而树枝放电电阻是最高的1 phr纳米复合材料。这是因为PD能源应用于广泛的标本,而树枝放电能量集中在树枝状组织。换句话说,如果nanosilica内容太高,环氧树脂不能湿表面alkyl-modified nanosilica,所以集中树枝放电能量聚合nanosilicas容易渗透。另一方面,认为PD能源应用于广泛的渗透是有效地阻止了。


图9
表面概要PD的环氧树脂纳米复合材料具有不同alkyl-modified nanosilica内容:(a) 0 phr, (b) 1 phr, (c) 3 phr, (d) 5 phr。

4所示。结论

的亲水表面熏nanosilica修改为疏水表面与三甲基硅烷偶联剂通过治疗,和修改nanosilicas纳入环氧矩阵为了准备一个电气绝缘材料的环氧树脂纳米复合材料。三甲基硅烷nanosilica表面的粘结是证实了CH的新高峰的出现2和CH3通过傅立叶变换红外光谱分析。TEM观察表明,1 phr alkyl-modified nanosilicas说法在环氧树脂纳米复合材料;然而,随着nanosilica内容增加聚合变得严重。最长的HVAC树枝放电击穿时间发现环氧树脂纳米复合材料与1 phr alkyl-modified nanosilica,的时间是17412分钟(12天)。这个值是143.9倍的时间比121分钟(2 h)暖通空调树枝放电击穿时间的整洁的环氧树脂。1 phr nanosilica内容后,树枝放电击穿时间减少为alkyl-modified nanosilica内容增加。这些结果意味着正确的说法nanosilicas妨碍树枝放电起始和块树枝状组织有效地传播,但随着nanosilica内容的增加,对树枝状组织阻塞影响增长率降低改性二氧化硅纳米颗粒的聚集。电树枝状组织形态学的环氧系统有一个分支类型,而对于环氧树脂纳米复合材料,它有一个布什的类型。众所周知,布什的树枝放电击穿时间类型是比这长得多的分支类型由于阻塞alkyl-modified nanosilica粒子。PD阻力增加的内容alkyl-modified nanosilica。 The PD resistance of the neat epoxy system is increased by 249% and 1,251% through the incorporation of 1 phr and 5 phr of alkyl-modified nanosilica, respectively. Treeing resistance is highest in 1 phr nanocomposite, while PD resistance is highest in 5 phr of nanocomposite. As alkyl-modified nanosilica content is too high, the concentrated treeing energy easily penetrates among the aggregated nanosilicas, but PD energy is effectively blocked.

数据可用性

没有基础数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作于2019年由Joongbu大学。